Effect of Build Thickness on Fatigue Behavior of 17-4 PH Stainless Steel Fabricated by Material Extrusion Additive Manufacturing

Abstract

Denne avhandlingen undersøker innflytelsen av byggetykkelse på utmattingsatferden til 17-4 PH rustfritt stål produsert gjennom materialekstrusjon (ME) additiv produksjon. Tre distinkte prøvetykkelser (1 mm, 3 mm, og 5 mm) ble fremstilt ved hjelp av en Markforged Metal X-printer og utsatt for strenge ensaksiale utmattingsprøver under et spenningsforhold på R = 0.1. Studien hadde som mål å belyse sammenhengen mellom byggetykkelse og utmattingslevetid, spesielt ved høysyklus utmattingsregimer. Resultatene fra utmattingsprøvene viste entydig en betydelig økning i utmattingslevetid med økende prøvetykkelse, spesielt uttalt i høysyklus utmattingsregimet. Dette fenomenet ble tilskrevet reduksjonen i overflate-til-volum-forholdet når tykkelsen økte, noe som effektivt reduserte antallet potensielle steder for sprekkdannelse, en kritisk faktor i utmattingsbrudd. Mikrostrukturforskjeller ble forklart teoretisk ved sintringsprosessen brukt i ME additiv produksjon, som resulterte i en ensartet mikrostruktur på tvers av alle prøver, uavhengig av deres tykkelse. Denne ensartetheten understreket at mikrostrukturelle variasjoner ikke spilte en avgjørende rolle i å påvirke utmattingsytelsen, og rettet dermed fokuset mot andre faktorer som overflateruhet og porøsitet. Overflateruhetsmålinger indikerte en konsistent overflatekvalitet på tvers av forskjellige tykkelser, noe som antydet at ME-prosessen opprettholdt ensartethet i dette aspektet. Imidlertid avdekket porøsitetsanalyse en bemerkelsesverdig trend: tykkere prøver viste lavere porøsitetsinnhold. Denne reduksjonen i porøsitet ble ansett som avgjørende for å forbedre utmattingsmotstanden, da det reduserte tilstedeværelsen av spenningskonsentratorer og mikro-hakk, som er kjent for å tjene som kjernepunkter for sprekker. Mikrohardhetsmålinger beriket ytterligere analysen, og avslørte konsistente hardhetsverdier på tvers av prøvenes dybde. Mens prøver med tykkelser på 1 mm og 5 mm viste sammenlignbar hardhet, viste de 3 mm tykke prøvene noe høyere hardhet. Denne observasjonen antydet en potensiell kompenserende effekt av mikrohardhet på utmattingslevetiden med hensyn til overflateruhet i 3 mm prøvene. Fraktografisk analyse ga verdifulle innsikter i prøvenes bruddatferd. Sprekkinitieringssteder ble funnet å variere med tykkelse, med tykkere prøver hovedsakelig initierende sprekker på undersiden, i motsetning til tynnere prøver hvor sprekker initierte på oversiden. Overgangen fra sprekkinitiering til sprekkeutbredelse ble preget av distinkte endringer i overflatetekstur, og pseudofargede bilder hjalp til med å karakterisere den endelige bruddstadiet, og avslørte skjærlepper som indikerer duktilt bruddmekanismer. Merkverdig nok viste tykkere prøver et større område av stabil utmattingssprekkvekst relativt til deres volum, i tråd med deres utvidede utmattingslevetid i høysyklusregimer. Avslutningsvis belyser denne omfattende studien det intrikate forholdet mellom byggetykkelse, overflatekvalitet, porøsitet og utmattingsytelse i ME-produserte 17-4 PH rustfritt stål. Funnene understreker viktigheten av å vurdere byggetykkelse som en kritisk parameter i design- og produksjonsprosesser, og tilbyr verdifulle innsikter for optimalisering av produksjonen av komponenter utsatt for krevende utmattingsbelastningsforhold.

This thesis investigates the influence of build thickness on the fatigue behavior of 17-4 PH stainless steel produced through material extrusion (ME) additive manufacturing. Three distinct specimen thicknesses (1mm, 3mm, and 5mm) were fabricated using a Markforged Metal X printer and subjected to rigorous uniaxial fatigue testing under a stress ratio of R = 0.1. The study aimed to elucidate the relationship between build thickness and fatigue life, especially at high-cycle fatigue regimes. The results of the fatigue tests unequivocally demonstrated a significant increase in fatigue life with increasing specimen thickness, particularly pronounced in the high-cycle fatigue regime. This phenomenon was attributed to the reduction in surface-to-volume ratio as thickness increased, effectively diminishing the number of potential sites for crack initiation, a critical factor in fatigue failure. Microstructure differences were explained theoretically by the sintering process used in ME additive manufacturing, which resulted in a uniform microstructure across all specimens, regardless of their thickness. This uniformity underscored that microstructural variations did not play a pivotal role in influencing fatigue performance, thereby directing the focus towards other factors such as surface roughness and porosity. Surface roughness measurements indicated a consistent surface quality across different thicknesses, suggesting that the ME process maintained uniformity in this aspect. However, porosity analysis unveiled a notable trend: thicker specimens exhibited lower porosity content. This reduction in porosity was deemed instrumental in enhancing fatigue resistance, as it mitigated the presence of stress concentrators and micro-notches, which are known to serve as nucleation sites for cracks. Microhardness measurements further enriched the analysis, revealing consistent hardness values across the depths of the specimens. While specimens with thicknesses of 1mm and 5mm displayed comparable hardness, the 3 mm thick specimens exhibited marginally higher hardness. This observation suggested a potential compensatory effect of microhardness on the fatigue life with respect to surface roughness in the 3mm specimens. Fractographic analysis provided valuable insights into the fracture behavior of the specimens. Crack initiation sites were found to vary with thickness, with thicker specimens predominantly initiating cracks on the bottom surface, in contrast to thinner specimens where cracks initiated on the top surface. The transition from crack initiation to propagation was marked by distinct changes in surface texture, and pseudocolor images aided in characterizing the final fracture stage, revealing shear lips indicative of ductile fracture mechanisms. Notably, thicker specimens exhibited a larger area of stable fatigue crack growth relative to their volume, aligning with their extended fatigue life in high-cycle regimes. In conclusion, this comprehensive study elucidates the intricate relationship between build thickness, surface quality, porosity, and fatigue performance in ME-produced 17-4 PH stainless steel. The findings underscore the importance of considering build thickness as a critical parameter in design and manufacturing processes, offering valuable insights for optimizing the production of components subjected to demanding fatigue loading conditions.